停留时间分布对反应精馏的影响初探—实验验证与过程优化

作     者：杨鹏飞 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李鑫钢;王哲

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：反应精馏 停留时间分布 乙酰丙酸乙酯 遗传算法 过程优化 

摘      要：在传统的反应精馏(RD)过程中,反应段的催化剂填装分布或者理论级上反应停留时间分布(SARTD)通常是均匀设计的,而如果采用不均匀分布的设计对反应精馏效果的影响是少有文献报道的。本文采用反应精馏实验和过程设计优化相结合的方法,探究了反应精馏塔内反应段内停留时间分布对RD过程的影响,并为SARTD优化问题提供了一种可行的解决方案,这可以为反应精馏塔内催化分离内构件的设计和工业应用提供一定参考。本文选择乙酰丙酸和乙醇在树脂催化剂作用下制备乙酰丙酸乙酯的反应精馏过程作为研究案例,对SARTD问题进行了反应精馏实验验证和过程模拟优化。首先进行了乙酰丙酸和乙醇的酯化反应动力学实验,测定了大孔阳离子交换树脂KRD001的催化性能,并获得了相应的反应动力学方程和化学平衡方程。之后,在两种催化剂装填分布条件下(均匀和不均匀,通过在SCPI中装填不同质量的催化剂实现不均匀分布)进行了反应精馏实验,探究了SARTD对酯化反应精馏过程的影响,进行了关于SARTD问题研究的反应精馏实验验证工作。实验结果表明:相对于催化剂均匀分布的设置,采用催化剂不均匀分布之后,乙酰丙酸的转化率相对提高了10.85%,也验证了合理的催化剂装填分布有利于提高乙酸丙酸乙酯酯化反应精馏过程的效果。最后,利用Aspen Plus平台建立了可靠的稳态反应精馏过程模型,并将该模型用于RD过程优化。以最小化的单位质量产品再沸器负荷(RDP)为优化目标,编写了遗传算法(GA)优化代码来进行SARTD的优化过程研究。研究结果表明:优化后的反应段停留时间分布变得很不均匀,靠近进料位置的理论级上被设置更大的SART;与均匀的SARTD相比,采用优化的SARTD,乙酰丙酸转化率可以提高3.06%,RDP降低10.09%;若保证反应精馏效果不变前提下,采用优化的SARTD可以使反应段所需的总停留时间减少11.75%。进一步的分析结果表明:优化的SARTD结果与反应段各理论级的平衡状态是密切相关的,优化前的反应进度因子分布和优化后的停留时间分布大体上是一致,并提出了一种SARTD优化的新方法,这也可以为其他RD生产过程优化问题提供指导与借鉴。